高取代率再生骨料强化混凝土的性能优化研究

陈卫平

上海建工材料工程有限公司 上海 200086

据统计，我国产生的建筑垃圾总量每年以8%的增长率上升，预计到2020年总量达到6.4亿 t，其中废弃混凝土量达到5 000万～7 000万 t[1]。这些废弃混凝土如不加以利用，会占用大量土地，耗用建设经费并造成环境污染，因此对废弃混凝土进行破碎、筛分以及洗涤后形成再生骨料用于再生混凝土的制备，不仅能够避免天然骨料过度开采所带来的环境破坏，还能有效地回收和利用废弃资源[2]，具有非常重要的社会、生态和经济意义。但是再生骨料普遍呈现出砂浆附着率以及含杂质量高等特征，严重影响再生骨料吸水率、压碎指标和堆积孔隙率等关键性能，因而会导致再生混凝土的工作性能和力学性能的劣化[3]。

针对高取代率再生骨料吸水率高和吸水速率快导致的工作性能差和砂浆包裹不足等缺点，需要对高取代率再生骨料混凝土的浆骨比进行重新设置。史才军等[4]提出了应用广泛的Metha-Aitcin配合比设计方法，认为水泥浆体的体积分数为35%时，混凝土的强度、工作性能和体积稳定性达到最佳平衡状态。而Xiao等[5]对不同取代率的再生骨料混凝土进行力学性能研究，得出20%以下的骨料取代率对再生混凝土抗压强度的影响很小，50%以上骨料取代率对抗压强度的不利影响较大，而全骨料取代能降低再生混凝土20%～40%的抗压强度的结论。为了提高再生骨料混凝土的骨料取代率和性能指标，国内外学者采用多种方法对再生骨料进行强化处理。Tam等[6]采用HCl、H2SO4和H3PO4等3种酸来降低骨料吸水率，发现当酸的质量分数超过20%时，对附着砂浆的去除效果较好，其吸水率降低约10%；程海丽等[7]发现水玻璃浓度和浸泡时间对抗压强度的影响较大，在5%浓度水玻璃中处理1 h后，抗压强度提高约20%，而在30%浓度溶液中浸泡处理1 d，抗压强度反而降低。Katz[8]和Shayan等[9]用火山灰材料制备均质的火山灰浆体，再将再生骨料浸泡在浆体中，利用其吸水性将火山灰颗粒填充到孔隙内，抗压强度提高约5%。Zhang等[10]采用碳化处理法使再生骨料附着浆体中的水化产物Ca(OH)2和C-S-H（水化硅酸钙）与CO2反应生成CaCO3和无定型硅胶SiO2·nH2O，改善了再生混凝土的双界面性能，从而提高了抗压强度。

本研究通过优化配合比设计并分别采用硅酸钙纳米凝胶溶液和聚乙烯醇（PVA）溶液对再生骨料进行表面强化处理，来制备再生骨料替代率为100%的再生骨料混凝土。具体通过测试在不同配合比下的再生骨料混凝土的坍落度和抗压强度来选取最优配合比。在最优配合比的基础上，对再生骨料强化混凝土的坍落度、抗压强度和耐久性进行测试，分析其强化机制。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

本试验采用的P·O 42.5水泥由上海金山南方水泥有限公司生产；黄砂采用符合GB/T 14684—2011《建设用砂》规定的中砂；骨料使用5～25 mm连续粒级再生骨料，其性能指标如表1所示；外加剂采用上海建工材料工程有限公司生产的701中效减水剂；矿物掺合料分别使用张家港恒昌新型建材有限公司产S95级矿渣微粉和上海杜云企业发展有限公司产Ⅱ级粉煤灰；硅酸钙纳米凝胶溶液由上海建工材料工程有限公司生产；4%浓度的PVA溶液采用市售的PVA-1788配制。

表1 再生骨料性能指标

1.2 试样制备

为了优化高取代率再生骨料混凝土的配合比，再生骨料混凝土配合比的选取如表2所示。准确称量各组原材料质量，将再生骨料、黄砂、水泥、矿粉和粉煤灰投入搅拌机进行预搅拌至均匀，然后将减水剂溶于水中，缓慢加入搅拌机，搅拌混凝土至均匀状态后，制作100 mm× 100 mm×100 mm的立方体试块。24 h后脱模放置于标准环境（20 ℃±2 ℃，相对湿度＞95%）中进行养护备用，至指定龄期后取出进行相应测试。

在对配合比进行优化的基础上，为进一步提高高取代率再生骨料混凝土的性能，对再生骨料进行强化处理。分别采用硅酸钙纳米凝胶溶液和PVA溶液对再生骨料进行24 h的浸泡处理，然后放置于60 ℃的烘箱中烘24 h至恒重备用。再生骨料强化混凝土配合比如表3所示。

表2 不同浆骨比的再生骨料混凝土相关参数

表3 再生骨料强化混凝土相关参数

1.3 测试方法

新拌混凝土工作性能按GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试，硬化混凝土力学性能按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，耐久性试验按GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试样方法标准》进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 高取代率再生骨料混凝土配合比优化研究

2.1.1 坍落度

坍落度测试是评价混凝土工作性能的重要指标之一。本试验设计了不同高取代率再生骨料混凝土的配合比，测试每种浆骨比下的混凝土初始坍落度和1 h坍落度，其结果如图1所示。从图1可以看出，随着浆骨比的增加，初始坍落度不断增加，其中，浆骨比0.275组较之0.250组，坍落度提高5.4倍，达到160 mm。而各组浆骨比的1 h坍落度较初始坍落度都出现了不同程度下降，坍落度经时损失较大，尤其是浆骨比为0.250的试样，1 h坍落度降为了0 mm。分析认为，当浆骨比增加，水泥砂浆流动度增加，并且水泥砂浆能包裹住更多的再生骨料，提高骨料之间的润滑作用，从而提高混凝土的坍落度。而1 h后，水泥水化消耗了大量的水，同时再生骨料也吸附了部分水，这导致1 h坍落度出现下降。从测得的数据值可以看出，只有当浆骨比为0.275和0.300时才符合新拌混凝土的工作性能要求。

2.1.2 抗压强度

图1 不同浆骨比下的混凝土坍落度

抗压强度也是决定最优配合比的重要指标之一。本试验对不同浆骨比下的全取代率再生骨料混凝土的3 d和7 d强度进行测试，其结果如图2所示。随着浆骨比增加，混凝土3 d和7 d抗压强度均先增加再下降，都在浆骨比为0.275时，抗压强度达到最大。分析认为，浆骨比的增大使混凝土中各组分分散更均匀，水化更加充分而使抗压强度出现增加，但更大的浆骨比会降低混凝土内部各组分的黏结力和混凝土的密实度，导致抗压强度下降[11]。因此通过坍落度值和抗压强度值比较，可以得出本试验最佳的高取代率再生骨料混凝土浆骨比为0.275。

图2 不同浆骨比下的混凝土的3 d和7 d抗压强度

2.2 高取代率再生骨料强化混凝土性能研究

2.2.1 坍落度

图3为不同再生骨料强化类型的混凝土初始坍落度和1 h坍落度的测试结果。从图3可知，PRA组的初始坍落度最大，达225 mm，其余组的初始坍落度基本一致。各组的1 h坍落度均出现下降，其中，RA组和PRA组的坍落度经时损失较大，分别损失120、135 mm。分析可得，PVA溶液能够有效提高再生骨料混凝土的初始坍落度，但是坍落度的经时损失较大，而硅酸钙纳米凝胶对初始坍落度基本无影响，但是能减少坍落度的经时损失。主要原因是PVA作为有机防水剂，有效降低了再生骨料的吸水率而使初始坍落度增加，而纳米硅酸钙能参与到水泥水化反应过程中，延缓了自身生成的水化硅酸钙进一步水化，起到保坍作用。

图3 不同再生骨料强化混凝土坍落度

2.2.2 抗压强度

图4为不同再生骨料强化类型的混凝土3、7、28 d的抗压强度测试结果。由图4可知，CRA组在不同龄期的抗压强度值均最大，而PRA组和CPRA组的早期抗压强度大于RA组，但后期的抗压强度出现了倒缩现象，分别只有RA组抗压强度的97%和89%。分析可知，纳米硅酸钙对再生骨料混凝土的各龄期抗压强度有很好的促进作用，而PVA仅能提高混凝土的早期抗压强度，会降低后期的抗压强度。其主要原因为纳米硅酸钙吸附到再生骨料的附着砂浆表面后的填充效应和成核效应使其抗压强度增加[12]，而PVA填充附着砂浆孔隙，降低骨料吸水率和新界面局部水胶比，同时PVA溶解也使水泥加速聚沉，这些均有利于早期抗压强度提高，但PVA作为防水剂覆盖在水泥颗粒表面，使其具有憎水性，阻碍水泥的水化，降低了后期抗压强度[13-14]。

图4 不同再生骨料强化混凝土抗压强度

2.2.3 耐久性

图5为不同再生骨料强化类型的混凝土28 d的电通量和碳化深度测试结果。从图5可知，RA组的28 d电通量和碳化深度值均为最大，PRA组的电通量最小，CPRA组的碳化深度最小。参照JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》，经过硅酸钙纳米凝胶溶液和PVA溶液对再生骨料进行表面强化处理后，再生骨料混凝土电通量指标由Q-Ⅱ区间变为Q-Ⅲ区间，抗氯离子渗透性能明显增强，同时碳化深度由T-Ⅲ区间降为T-Ⅳ区间，抗碳化性能也大幅提高。

图5 不同再生骨料强化混凝土耐久性能

3 结语

1）对于100%取代再生骨料混凝土，提高混凝土的浆骨比可明显提高其新拌坍落度和经时坍落度，但坍落度损失仍然较大，通过对坍落度值和抗压强度值的比较，得出本试验最佳的浆骨比为0.275。

2）硅酸钙纳米凝胶溶液强化处理的再生骨料可明显减小混凝土坍落度经时损失，其各龄期抗压强度有较大增加，耐久性得到较大提升。

3）PVA溶液强化处理的再生骨料可提高混凝土的初始坍落度，促进早期抗压强度的提高，但会降低混凝土的后期强度，同时耐久性有较大提高。

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